多级变流器的操作

技术领域

本发明涉及一种用于操作具有多个相模块的多级变流器的方法，所述相模块彼此并联连接地布置在多级变流器的第一直流电压接头与第二直流电压接头之间，并且分别具有多个模块，多个模块分别具有至少两个电子开关元件和电气能量存储器。每个相模块具有与第一直流电压接头连接的第一相模块支路、与第二直流电压接头连接的第二相模块支路和将第一相模块支路与第二相模块支路连接的第三相模块支路。此外，多级变流器具有开关装置，该开关装置在第一开关位置中将相模块的交流电压接头与在第一相模块支路和第三相模块支路之间的第一连接点连接，并且在第二开关位置中将交流电压接头与在第三相模块支路和第二相模块支路之间的第二连接点连接。

背景技术

多级变流器(也称为模块化多级变流器)是用于转换电气能量的电力电子电路。利用多级变流器例如可以将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电。多级变流器具有多个相同类型的模块，其电气串联连接。通过模块的电气串联电路可实现高的输出电压。多级变流器可简单地与不同的电压匹配(缩放)，并且可以相对准确地产生所期望的输出电压。多级变流器可以有利地在高压范围内使用，例如作为高压直流输电设备中的变流器或者作为无功功率补偿设备。

可以选择电气串联电路中的模块的数量，使得多级变流器可以产生所需的输出电压。然而此外，串联电路中的模块的数量也还必须足够大，使得在多级变流器的所有运行状态下，施加在模块上的电压不超过最大允许的模块电压。因此，在串联电路中必须存在比为了产生预定的输出电压实际所需的模块更多的模块。这导致了高成本、高损耗功率以及多级变流器的大的结构形式。

传统的多级变流器的相模块分别具有两个相模块支路，其中一个与多级变流器的第一直流电压接头连接，并且另一个与多级变流器的第二直流电压接头连接。

发明内容

本发明涉及一种开头所描述的特定的多级变流器，与传统的多级变流器相比，其每个相模块并非仅具有两个相模块支路，而是具有三个相模块支路。这种类型的多级变流器使得可以按照需要将相模块的交流电压接头与多级变流器的第一直流电压接头之间的模块的数量增加或减小了第三相模块支路中的模块的数量。同样地，可以将相模块的交流电压接头与多级变流器的第二直流电压接头之间的模块的数量增加或减小了第三相模块支路中的模块的数量。换言之，即，可以根据需要将第三相模块支路中的模块分配给第一相模块支路或第二相模块支路。

因此，相模块的第三相模块支路的模块具有双重功能。根据相模块的开关装置的开关位置，将这些模块连接在相模块的交流电压接头与第一直流电压接头之间或连接在交流电压接头与第二直流电压接头之间。因此，相模块的第三相模块支路中的模块用于生成相模块的不同的电压。通过在相模块的开关装置的第一开关位置与第二开关位置之间的换接的可能性，第三相模块支路中的模块仅需要存在一次。反之，在传统多级变流器中，附加的模块必须在每个相模块中存在两次，即一次在相模块的第一(正侧的)相模块支路中，并且一次在相模块的第二(负侧的)相模块支路中。由于特殊的多级变流器的每个相模块中的第三相模块支路，因此与传统的多级变流器相比，每个相模块所需的模块的数量可以显著减少。这也导致了多级变流器的尺寸、变流器损耗和成本的显著减小。可以实现节省25％的所需的模块。

在每个相模块具有两个相模块支路的传统的多级变流器的操作中，存储在各个相模块支路中的能量之间的能量不平衡被补偿，以便均匀地负载相模块支路。在此，一方面在相模块之间进行所谓的水平能量补偿，并且另一方面在每个相模块的两个相模块支路之间进行所谓的垂直能量补偿。为此，依据每个相模块的两个相模块支路的能量的总和以及差，控制多级变流器的回路电流，利用这些回路电流在相模块之间以及在各个相模块的相模块支路之间传输能量。

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于在以上所描述的多级变流器的相模块支路之间进行能量补偿的方法，该多级变流器的每个相模块具有三个相模块支路。

根据本发明，该技术问题通过具有权利要求1的特征的方法来解决。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在根据本发明的方法中，为多级变流器的每个相模块确定能量总和参量，其是针对第一相模块支路的能量与第二相模块支路的能量的总和的量度。此外，对于每个相模块，依据相模块的开关装置的开关位置确定能量差参量，在开关装置的第一开关位置中，能量差参量是针对第二相模块支路的能量与第三相模块支路的能量的差的量度，并且在开关装置的第二开关位置中，能量差参量是针对第一相模块支路的能量与第三相模块支路的能量的差的量度。依据相模块的能量总和参量和能量差参量，控制多级变流器的回路电流，以补偿相模块支路之间的能量不平衡。

因此，本发明规定，依据每个相模块的第一相模块支路的能量与第二相模块支路的能量的总和，以及依据每个相模块的第一相模块支路或第二相模块支路的能量与第三相模块支路的能量的差，控制多级变流器的回路电流，以补偿能量不平衡。在此，是使用第一相模块支路的能量与第三相模块支路的能量的差还是使用第二相模块支路的能量与第三相模块支路的能量的差取决于相模块的开关装置的开关位置。本发明通过如在传统的多级变流器中那样控制多级变流器的回路电流以进行能量补偿，能够实现将用于传统的多级变流器的、在相模块支路之间进行能量补偿的原理转用到每个相模块具有三个相模块支路的特殊的多级变流器上。在此，为了控制回路电流，与具有相同数量的相模块的传统的多级变流器的情况一样，使用相同数量的相模块支路的能量的总和以及差，尽管相较于传统的多级变流器，特殊的多级变流器每个相模块具有更大数量的相模块支路。例如，在三相的特殊的多级变流器中，根据总共九个相模块支路的能量形成三个能量总和参量和三个能量差参量，并且因此与每个相模块具有两个相模块支路的传统的三相的多级变流器的情况一样多。由此，对于每个相模块具有三个相模块支路的特殊的多级变流器，可以使用相同的回路电流控制器以进行能量补偿，该回路电流控制器也用于传统的多级变流器。

本发明的一种设计方案规定，根据所有相模块的能量总和参量形成能量总和空间矢量，并且依据能量总和空间矢量来控制回路电流的直流分量，以补偿相模块之间的能量不平衡。本发明的这种设计方案利用以下事实：回路电流的直流分量使得可以进行相模块之间的直接能量传输，并且因此可以用于水平能量补偿，并且直流分量取决于能量总和空间矢量。

本发明的另外的设计方案规定，根据所有相模块的能量差参量形成能量差空间矢量，并且依据能量差空间矢量来控制回路电流的正相序系统和负相序系统，以补偿各个相模块的相模块支路之间的能量不平衡。本发明的这种设计方案利用以下事实：通过控制回路电流的正相序系统和负相序系统，可以实现各个相模块的相模块支路之间的垂直能量补偿，并且回路电流的正相序系统和负相序系统取决于能量差空间矢量。

本发明的另外的设计方案规定，每个相模块的能量总和参量根据分别施加到相模块的第一相模块支路上和第二相模块支路上的电压来确定；和/或每个相模块的能量差参量在相模块的开关装置的第一开关位置中根据分别施加到相模块的第二相模块支路上和第三相模块支路上的电压来确定，以及在相模块的开关装置的第二开关位置中根据分别施加到相模块的第一相模块支路上和第三相模块支路上的电压来确定。本发明的这种设计方案利用以下事实：相模块支路的能量取决于施加到相模块支路上的电压。

多级变流器可以被设计为使得相模块的开关装置在第二开关位置中将相模块的交流电压接头与第一连接点(电气)分离，并且在第一开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)分离。一般而言，开关装置将交流电压接头在每个开关位置分别仅最多与一个(与开关位置相关联的)连接点连接(并且将交流电压接头与相应的另外的连接点分离)。因此，开关装置(在该开关装置的开关位置中)将交流电压接头分别仅与一个(与开关位置相关联的)连接点连接。当然，还可以给出开关位置，在该开关位置中交流电压接头与所有的连接点分离。

多级变流器也可以被设计为使得第一相模块支路、第二相模块支路和第三相模块支路分别具有在串联电路中的模块中的至少两个、特别是分别具有模块中的至少五个。

多级变流器也可以被设计为使得开关装置具有晶闸管(作为开关元件)。借助晶闸管，可以特别快速地执行第一连接点与第二连接点之间的换接。

多级变流器也可以被设计为使得

-每个相模块的开关装置具有第一电力电子开关，该第一电力电子开关在开关装置的第一开关位置中将交流电压接头与第一连接点(电气)连接，并且在开关装置的第二开关位置中将交流电压接头与第一连接点(电气)分离；以及

-每个相模块的开关装置具有第二电力电子开关，该第二电力电子开关在开关装置的第二开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)连接，并且在开关装置的第一开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)分离。利用开关装置的两个电力电子开关，可以特别简单且快速地执行第一连接点与第二连接点之间的换接。

多级变流器可以被设计为使得每个开关装置的第一电力电子开关和第二电力电子开关分别具有晶闸管。

多级变流器也可以被设计为使得每个开关装置的第一电力电子开关和第二电力电子开关分别具有反并联连接的晶闸管。由此，电力电子开关可以以两种极性切换流过相模块的交流电压接头的交流电流。

多级变流器也可以被设计为，使得第三相模块支路中的至少一个模块被设计为使得能够输出具有正或负的极性的电压。这特别有利地支持晶闸管的关断过程。在此，特别有利的是，至少一个模块能够产生并且输出负电压和正电压。借助该电压，可以安全且可靠地实现将经由交流电压接头流动的电流从第一连接点换向到第二连接点。这例如可以如下地实现：借助模块产生与原始的电流流动相反取向的电压作为换向电压。

多级变流器可以被设计为使得第三相模块支路中的至少一个模块具有全桥电路。在此，特别有利的是，至少一个具有全桥电路的模块能够产生并且输出负电压和正电压。如上面所说明地，这支持换向。

多级变流器可以被设计为使得全桥电路具有四个电子开关元件和电气能量存储器。

多级变流器可以被设计为使得每个相模块的开关装置依据施加在相模块的交流电压接头上的电压(交流电压)的瞬时值来采取其开关位置(特别是第一开关位置和第二开关位置)。有利地，可以控制开关装置，使得该开关装置依据施加在交流电压接头上的电压(交流电压)的瞬时值来采取开关位置。由此，产生了特别简单的控制开关装置的方式。仅需要分析交流电压的瞬时值，并且依据瞬时值的大小，开关装置采取相应的开关位置(特别是第一开关位置和第二开关位置)。

多级变流器也可以被设计为：

-如果施加在相模块的交流电压接头上的电压的瞬时值大于(或等于)零，则每个相模块的开关装置采取第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值小于零，则开关装置采取第二开关位置，或者

-如果施加在相模块的交流电压接头上的电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则每个相模块的开关装置采取第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第二预选电压范围内，则开关装置采取第二开关位置。第一替换方案有利地规定了开关装置何时采取第一开关位置以及该开关装置何时采取第二开关位置的特别简单的可能性：如果交流电压的瞬时值大于(或等于)零，则采取第一开关位置；如果交流电压的瞬时值小于零，则采取第二开关位置。第二替换方案说明，如果交流电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则采取第一开关位置。如果瞬时值位于第二预选电压范围内，则采取第二开关位置。该变形方案能够实现还更灵活地切换开关装置。

附图说明

结合以下对结合附图更详细地阐述的实施例的描述，上面所描述的本发明的特性、特征和优点以及如何实现其的方式将变得更加清楚并且更显著地容易理解。在此附图中：

图1示出了多级变流器的相模块的实施例，

图2示出了根据图1的相模块上的示例性的电压曲线，

图3示出了根据图1的相模块的替换的图示，

图4示出了具有三个相模块的多级变流器的实施例，

图5示出了多级变流器的模块的实施例，

图6示出了多级变流器的模块的另外的实施例，

图7示出了根据本发明的方法的实施例的流程图，

图8示出了确定用于控制多级变流器的回路电流的额定电流空间矢量的框图。

在附图中，彼此对应的部分具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1中示出了多级变流器800的模块400的实施例。该相模块400具有第一(正侧的)相模块支路11、第二(负侧的)相模块支路13和第三(中间的)相模块支路404。在第一相模块支路11上施加第一电压U

第三相模块支路404具有至少一个带有全桥电路的模块408_1(全桥模块408_1)以及另外的模块408_2至408_n，可以将这些模块分别设计为半桥电路(半桥模块)或全桥电路(全桥模块)。

在第一相模块支路11与第三相模块支路404之间构造第一连接点412的情况下以及在第三相模块支路404与第二相模块支路13之间构造第二连接点416的情况下，第三相模块支路404将第一相模块支路11与第二相模块支路13连接。为此，开关装置420被配置为用于在第一开关位置421将相模块400的交流电压接头5与第一连接点412电气连接，并且在第二开关位置422将交流电压接头5与第二连接点416电气连接。此外，开关装置420被配置为用于在第二开关位置422将交流电压接头5与第一连接点412电气分离，并且在第一开关位置421将交流电压接头5与第二连接点416电气分离。

开关装置420具有第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4作为开关元件。更准确地说，开关装置具有第一电力电子开关424和第二电力电子开关428。在此，第一电力电子开关424具有第一晶闸管T1和第二晶闸管T2；在此，第二电力电子开关428具有第三晶闸管T3和第四晶闸管T4。因此，第一电力电子开关424具有反并联连接的晶闸管T1和T2；第二电力电子开关428具有反并联连接的晶闸管T3和T4。

在此，具有各个晶闸管T1、T2、T3和T4的图示应当仅理解为象征性的。实际上，例如可以串联和/或并联连接更大数量的晶闸管，以实现所需的电压值和电流值。

在开关装置420的第一开关位置中，第一电力电子开关424将交流电压接头5与第一连接点412电气连接；在开关装置420的第二开关位置中，第一电力电子开关424将交流电压接头5与第一连接点412电气分离。在开关装置420的第二开关位置中，第二电力电子开关428将交流电压接头5与第二连接点416电气连接；在开关装置420的第一开关位置中，第二电力电子开关428将交流电压接头5与第二连接点416电气分离。

在交流电压接头5与接地接头202之间施加交流电压U

开关装置420依据施加在交流电压接头5上的交流电压U

多级变流器800还可以被配置为，如果施加在交流电压接头5上的交流电压U

图2中示例性地示出了在相模块400中产生的电压。在t＝0与t＝1/2T之间的时间间隔期间(即，在交流电压U

图3中再次以简化的图示示出了图1的相模块400。为此，第一相模块支路11、第二相模块支路13和第三相模块支路404分别象征性地表示为具有对角线的正方形。第一电力电子开关424和第二电力电子开关428分别表示为具有两个对角线的较小的正方形。此外，图3中借助电压箭头表示，在交流电压接头5处相对于接地接头202出现的交流电压U

如果施加在交流电压接头5上的交流电压U

图4中示出了三相的多级变流器800的实施例。根据图3，多级变流器800具有三个相模块400、400'、400”。第一相模块400具有相模块支路11、13、404、带有电力电子开关424、428的开关装置420、连接点412、416和交流电压接头5。第二相模块400'具有相模块支路11'、13'、404'、带有电力电子开关424'、428'的开关装置420'、连接点412'、416'和交流电压接头5'。第三相模块400”具有相模块支路11”、13”、404”、带有电力电子开关424”、428”的开关装置420”、连接点412”、416”和交流电压接头5”。

为了操作多级变流器800，测量施加到多级变流器800的交流电压接头5、5'、5”上的每个电压的瞬时值。依据所测量的瞬时值，然后将交流电压接头5、5'、5”与相应的第一连接点412、412'、412”或者相应的第二连接点416、416'、416”电气连接。在此，每个交流电压接头5、5'、5”分别仅与连接点412、412'、412”、416、416'、416”中的一个电气连接，并且与另外的连接点412、412'、412”、416、416'、416”电气分离。

图5中示出了多级变流器800的模块1_1的实施例。

模块1_1被设计为半桥模块。模块1_1具有带有第一反并联连接的二极管904的第一(可断开的)电子开关元件902(第一可断开的半导体阀902)。此外，模块1_1具有带有第二反并联连接的二极管908的第二(可断开的)电子开关元件906(第二可断开的半导体阀906)以及以电容器形式的电气能量存储器910。第一电子开关元件902和第二电子开关元件906分别被设计为IGBT(insulated-gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)。第一电子开关元件902与第二电子开关元件906电串联连接。在两个电子开关元件902与906之间的连接点处布置了第一电气模块接头912。在第二电子开关元件906的与连接点对置的接头处布置了第二电气模块接头915。此外，第二模块接头915与能量存储器910的第一接头电气连接；能量存储器910的第二接头与第一电子开关元件902的与连接点对置的接头电气连接。

因此，能量存储器910与由第一电子开关元件902和第二电子开关元件906构成的串联电路电气并联连接。通过由变流器800的(未示出的)电子控制装置相应地控制第一电子开关元件902和第二电子开关元件906，可以实现在第一模块接头912与第二模块接头915之间要么输出能量存储器910的电压要么不输出电压(即，输出零电压)。因此，可以通过各个相模块支路的模块的共同作用来产生变流器的各个期望的输出电压。

图6中示出了多级变流器800的模块408_1的另外的实施例。除了从图5中已知的第一电子开关元件902、第二电子开关元件906、第一续流二极管904、第二续流二极管908和能量存储器910之外，图6中示出的模块408_1具有带有反并联连接的第三续流二极管1004的第三电子开关元件1002以及带有第四反并联连接的续流二极管1008的第四电子开关元件1006。第三电子开关元件1002和第四电子开关元件1006分别被设计为IGBT。与图5中的电路不同，第二模块接头915不是与第二电子开关元件906电气连接，而是与由第三电子开关元件1002和第四电子开关元件1006构成的电气串联电路的中点电气连接。

图6的模块408_1是所谓的全桥模块，在该模块中，在对应地控制在第一(电气)模块接头912与第二(电气)模块接头915之间的四个电子开关元件902、906、1002、1006的情况下，能够可选地输出能量存储器910的正电压、能量存储器910的负电压或值为零的电压(零电压)。由此，借助模块408_1可以使输出电压的极性反转。多级变流器800可以仅具有半桥模块、可以仅具有全桥模块、或者也可以具有半桥模块和全桥模块。

图7示出了根据本发明的方法的实施例的流程图，该方法具有用于操作根据图4的多级变流器800的方法步骤S1至S3。

在第一方法步骤S1中，为每个相模块400、400'、400”确定能量总和参量W

此外，在第一方法步骤S1中，对于每个相模块400、400'、400”，依据相模块400、400'、400”的开关装置420、420'、420”的开关位置来确定能量差参量W

在第二方法步骤S2中，由所有相模块400、400'、400”的能量总和参量W

在第三方法步骤S3中，依据能量总和空间矢量，控制多级变流器800的回路电流的直流分量，以补偿相模块400、400'、400”之间的能量不平衡。此外，在第三方法步骤S3中，依据能量差空间矢量，控制回路电流的正相序系统和负相序系统，以补偿各个相模块400、400'、400”的相模块支路11、11'、11”、13、13'、13”、404、404'、404”之间的能量不平衡。为此，根据能量总和空间矢量和能量差空间矢量，以下面更详细描述的方式确定针对回路电流的额定电流空间矢量，并且用于控制回路电流。

图8示出了确定额定电流空间矢量的框图，额定电流空间矢量用于控制回路电流，以在多级变流器800的相模块支路11、11'、11”、13、13'、13”、404、404'、404”之间进行能量补偿。

由第一变换器501根据能量总和参量W

由第二变换器502根据能量差参量W

利用该旋转矩阵将相应的电流分量变换为具有旋转角-θ或θ的负相序系统和正相序系统。

额定电流空间矢量的α分量i

尽管已经在细节上通过优选的实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从其中推导出其他的变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

附图标记列表

1_1...l_n 第一相模块支路的模块

2_1...2_n 第二相模块支路的模块

5、5'、5” 交流电压接头

11、11'、11” 第一相模块支路

13、13'、13” 第二相模块支路

16、17 直流电压接头

202 接地接头

400、400'、400” 相模块

404、404'、404” 第三相模块支路

408_1...408_n 第三相模块支路的模块

412、412'、412” 第一连接点

416、416'、416” 第二连接点

420、420'、420” 开关装置

424、424'、424” 第一电力电子开关

428、428'、428” 第二电力电子开关

421、422 开关位置

501、502 变换器

503、504 额定值形成器

800 多级变流器

902、906、1002、1006 电子开关元件

904、908、1004、1008 二极管

910 能量存储器

912、915 模块接头

i

i

i

i

S1至S3 方法步骤

t 时间

T 周期持续时间

T1至T4 晶闸管

U 电压

U

U

U

U

U

W

W

W

W